混凝土中氯离子的迁移性能研究*

聂劲庭 吴相豪

我国海域辽阔,海岸线很长,大规模的基本建设集中于沿海地区,而海边的混凝土工程由于长期受到氯离子侵蚀,混凝土中的钢筋锈蚀现象非常严重,已建的海港码头等工程多数都远达不到设计寿命的要求。21世纪,海洋资源空间的开发利用是世界各国目前关注的重要课题,但海洋环境有特有的高氯离子含量条件,使得氯离子渗透通过混凝土保护层前一大道钢筋表面,破坏钢筋钝化膜,使钢筋锈蚀成为海洋混凝土工程主要破坏特征。钢筋混凝土广泛应用于土木、水利、港口、桥梁等,但是由于使用环境的影响或使用不当,大多数钢筋混凝土结构的实际服役年限远小于设计使用年限,特别是海洋环境条件下的沿海岸线的水运工程的钢筋混凝土结构,钢筋锈蚀更为严重,使得结构发生早期损坏,影响混凝土结构的使用功能及其耐久性。

1 研究目的与意义

21世纪,随着中国的经济迅速发展,大量的钢筋混凝土结构建筑物已经投入建设并生产,钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点,造价较低,是土木工程结构设计中的首选形式,其应用范围非常广泛。同时由于混凝土结构的耐久性问题越来越严重,不仅关系到混凝土结构维护与再建成本的控制,而且与环境保护和社会的可持续发展息息相关。氯离子侵蚀造成的混凝土结构的耐久性问题则是关注的重点,而其核心问题就是氯离子在混凝土中的输运。

混凝土结构耐久性,即是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下,在设计要求的目标使用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土结构耐久性是基于材料耐久性的进一步深化。混凝土结构在自然环境和使用条件下,随着时间的推移,材料逐渐老化和结构性能劣化,出现损伤甚至损坏,是一个不可逆的过程。它不是直接由力学因素引起的,首先是混凝土结构的物理化学作用的结果,继而影响到建筑物的使用功能和结构的承载力下降,最终会影响整个结构的安全。混凝土结构受到含有氯离子介质的侵蚀,而导致钢筋锈蚀,严重的锈蚀会使混凝土开裂,不仅影响使用功能和外观,甚至使钢筋截面削弱,结构构件承载力下降,对结构安全性造成威胁。

钢筋锈蚀是引起混凝土结构耐久性退化的最主要和最直接的因素,由此造成的直接和间接损失已远远超出人们的预料,给国家增加了很大的经济负担。根据专家的研究,混凝土中致使钢筋锈蚀有两种因素:1)海水中氯离子侵蚀;2)大气中的CO2使混凝土中性化。其中锈蚀破坏的主要因素是氯离子进入混凝土中,并在钢筋表面集聚,当钢筋表面的氯离子浓度超过一定的限值,钢筋钝化膜就会发生破坏,钢筋开始锈蚀。

国内外由于氯盐而引起的腐蚀破坏的工程实例很多,例如华南某港油气码头,天津中环路上的桥梁仅使用了不到十五六年后,已有一些需要大修和更换。我国第一座大型城市立交桥——北京西直门立交桥,也只使用了不到19年就到了非拆不可的地步。即使像北京人民大会堂、北京展览馆这样显赫的建筑物,也因当初冬季施工时掺入氯盐防冻剂而引起钢筋腐蚀,不得不翻修加固。上面这些建筑物基本上都是由于氯盐而引起的腐蚀破坏,有些甚至到了不能再使用的地步。

2 研究现状

国内外许多学者致力于氯离子在混凝土内扩散的研究,提出了许多计算模型与公式。对于现有的没有开裂且水灰比不太低的结构,大量的检测结果表明氯离子的浓度可以认为是一个线性的扩散过程,这个扩散过程一般引用Fick第二定律。Fick第二定律可以很方便地将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来,可以直观地体现结构的耐久性。由于Fick第二定律的简洁性及与实测结果之间较好的吻合性,已经成为预测氯离子在混凝土中扩散的经典方法。选择Fick第二扩散定律是基于一种经验的假定,由于它的模型能很好地拟合混凝土结构的实测结果,所以如今混凝土结构耐久性的评估方程很多都是以Fick第二扩散定律为基础的。

3 混凝土中氯离子对钢筋的锈蚀过程和作用机理

3.1 氯离子进入混凝土中的途径

氯离子进入混凝土中通常有两个途径:其一是“混入”,如掺用含氯盐外加剂、使用海砂、施工用水中含氯盐、在含盐环境中拌制、浇筑混凝土等;其二是“渗入”,是环境中的氯盐通过混凝土的宏观、微观缺陷,渗入到混凝土中并到达钢筋表面。“混入”大都是施工管理的问题,看似好解决,但仍时有发生;而“渗入”则是综合技术问题,与混凝土多孔性本质、密实性、工程质量、钢筋表面混凝土层厚度等多种因素有关。

3.2 混凝土中氯离子对钢筋锈蚀作用机理

由于氯离子的穿透能力非常强,当混凝土中钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时,氯离子容易渗入钝化膜与铁离子结合,由于电化学反应,生成铁锈,使阳极(铁)产生蚀坑,并且在此过程中氯离子不减少。具体的锈蚀形式有以下几种。

3.2.1 破坏钝化膜

钢筋表面的钝化膜遭到破坏,钢筋处于活化状态。混凝土中的孔隙液主要成分是Ca(OH)2饱和溶液,碱度很高,pH值通常在12.5左右,由于混凝土中还含有少量Na2O,K2O等盐分,实际pH值可超过13。在这样高碱性的环境中,钢筋表面氧化形成一层水化氧化膜(γ-Fe2O3◦nH2O)。这层致密的氧化膜牢固地吸附在钢筋表面,使钢筋处于钝化状态,即使在有水分和氧气的条件下钢筋也不容易发生腐蚀,故称为“钝化膜”,水泥水化的高碱性使混凝土内钢筋表面产生一种致密的钝化膜。该钝化膜只有在高碱度环境中才是稳定的,当pH＜11.5时,就开始不稳定,当pH＜9.88时,该钝化膜生成困难或已经生成的钝化膜逐渐破坏。氯离子是极强的去钝化剂,可使钢筋表面pH值降低到4以下,从而破坏钢筋表面的钝化膜。

3.2.2 形成腐蚀电流

氯离子对钢筋表面局部钝化膜的破坏,使这些部位裸露出铁体本身,与尚完好的钝化膜区域形成单位差;铁体作为阳极,大面积钝化膜区域作为阴极,致使钢筋表面产生坑蚀,由于大阴极对应于小阳极,坑蚀发展速度非常快。

3.2.3 去极化作用

氯离子不仅促成了钢筋表面的腐蚀电流,而且加速了电池的作用。由于电化学作用,氯离子将阳极产物及时地搬走,使阳极腐蚀过程顺利进行甚至加速进行。在这个过程中,氯离子并没有被消耗,而是周而复始地起到破坏作用。

3.2.4 导电作用

腐蚀电流的要素之一是要有离子通路。混凝土中氯离子的存在强化了离子通路,降低了阴阳极之间的欧姆电阻,提高了腐蚀电流的效率,从而加速了电化学腐蚀过程。氯离子还提高了混凝土的吸湿性,同时也能减小阴阳极之间的欧姆电阻。

4 实验设计及数据分析

4.1 实验设计

4.1.1 实验原料

1)水泥:上海水泥厂生产的P.S42.5级普通硅酸盐水泥;2)砂:中砂,级配良好;3)粗骨料:粒径5 mm～20 mm的连续级配碎石;4)水:上海市饮用水;5)氯盐:江西盐矿有限公司生产的工业盐。

4.1.2 实验仪器

实验仪器:实验混凝土搅拌器,振捣仪,烘箱。

4.1.3 实验步骤

1)制样。试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体试块,成型后放置1 d后拆模,分别放在氯离子浓度1%,3%,5%,7%的溶液中。然后将放置在同一箱中的试块分别进行干湿循环与全浸泡两种条件试验。2)封闭。将龄期为28 d的试件取出,待试件晾干后,选择其中的一面为工作面,其四周侧面刷一道防锈漆,等到固化后,将试件在清水中浸泡1 d,取出试件并擦干。3)试验制作。将封闭好的试件分为干湿循环和全浸泡两种试验条件,使试件工作面朝上放入试验水槽,按试验方案分别注入4%,8%,10%的NaCl溶液,将水槽置于室温环境中。对于干湿循环的试件浸泡8 h后,将试件取出,放置在外面,8 h之后再放入实验水槽中;全浸泡试件则始终浸泡在水槽中。

4.2 数据处理及分析

在实验的过程中,通过实验数据可以看出环境氯离子浓度、试块在氯盐中的浸泡时间、干湿浸泡交替等都会对实验结果产生影响。

5 结语

通过实验数据可以看出:

1)环境氯离子浓度对混凝土中氯离子浓度的影响(见图1,图2),由浓度分别是1%,3%,5%,7%,从中可以看出混凝土中氯离子浓度随着浸泡试块溶液浓度的增加而逐渐增大,可以清楚看出这一规律。2)试块在氯盐中的浸泡时间,对比图1与图3,图2与图4,可以清楚的看出,浸泡时间的长短对混凝土中的氯离子浓度是有影响的。3)干湿浸泡交替等都会对实验结果产生影响。对比图 1与图 2,图3与图4可以看出,干湿交替和全浸泡对混凝土中的氯离子浓度的影响是很明显的。

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